Zajistěte konektivitu v náročných prostředích pomocí ethernetových kabelů s vázanou dvojlinkou

S přechodem na průmyslový Internet věcí (IIoT) roste požadavek na vyšší spolehlivost a výkon v průmyslových prostředích bohatých na senzory a akční členy, což představuje rostoucí výzvu pro vývojáře, kteří hledají robustní řešení konektivity. Elektrické prostředí plné šumu omezuje bezdrátové metody, zatímco drsné fyzické prostředí komplikuje použití konvenčních kabelových přístupů. Návrháři požadují efektivnější řešení konektivity, schopné zachovat spolehlivost a výkon.

Jednou z možností je použití ethernetových kabelů s vázanou dvojlinkou, které brání oddělení kroucených párů vodičů, aby se zachovala integrita signálu.

Tento článek popisuje výzvy, kterým čelí konstruktéři při zvažování možností kabeláže pro drsné prostředí. Dále ukazuje, jak lze tyto problémy řešit pomocí ethernetových kabelů s vázanou dvojlinkou, a na příkladech společnosti Belden ilustruje vlastnosti a výkon této technologie ve srovnání s klasickou ethernetovou kabeláží.

Vyvíjející se průmyslová prostředí představují výzvu pro spolehlivost a výkon sítě

Potřeba větší rozmanitosti a počtu senzorů i akčních členů v rozvíjejícím se IIoT ještě více ztížila úkoly, kterým konstruktéři průmyslových sítí čelí. Spolu s trvalou potřebou spolehlivé konektivity musí průmyslové sítě poskytovat výkon v reálném čase a vyšší propustnost, protože systémy založené na vidění se připojují k přesným senzorům a hrají klíčovou roli v několika fázích výrobního procesu. Zatímco síťové technologie, jako jsou standardy IEEE 802.1 pro časově citlivé sítě (TSN), pomáhají konstruktérům splnit požadavky na deterministický výkon sítě Ethernet, 10gigabitové (Gbit) sítě Ethernet se stávají standardem, protože v průmyslových prostředích se zvyšuje objem, rychlost a rozmanitost dat.

Zajištění spolehlivosti a výkonu sítě v průmyslovém prostředí zůstává náročné kvůli povaze typického elektrického a fyzického prostředí továrny. V tomto prostředí se elektrický šum a rušení napájení generované stroji kombinují s různými zdroji elektromagnetického rušení (EMI) a vysokofrekvenčního rušení (RFI) a narušují integritu komunikačního signálu. Z fyzikálního hlediska představuje výrobní hala značnou výzvu v podobě paliva, oleje, rozpouštědel a dalších chemikálií, stejně jako vlhkosti, vysokých teplot a rychlých teplotních změn způsobených provozními stroji, průmyslovými procesy a rozstřikem svárů.

Při budování svých komunikačních sítí se konstruktéři továrních sítí spoléhají na komunikační kabely, které pouze povrchně sdílejí podobnosti s kabely určenými pro instalaci v komerčních budovách. Stejně jako v komerčních budovách slouží pro vedení kabelů stoupačkami nebo svislými šachtami v průmyslových provozech stoupací kabel, známý jako Communications Multipurpose Cable, Riser (CMR). Stejně tak kabel s plným prostorem, známý jako komunikační víceúčelový kabel s plným prostorem (CMP), je kabel s vyšší jmenovitou hodnotou, který je potřeba k omezení šíření plamene a kouře v horizontálních kabelových trasách v prostorách pod podlahami nebo stropy.

Na rozdíl od většiny instalací v komerčních budovách jsou však kabelové trasy v průmyslovém prostředí zvláště náchylné k mechanickému namáhání v důsledku pokračujících vibrací, ohýbání, oděru a drcení při běžném továrním provozu. Konstruktéři průmyslových sítí dlouho spoléhali na různé izolační materiály kabelových plášťů, aby ve svých sítích dosáhli požadované rovnováhy mezi cenou a výkonem.

Vlastnosti průmyslových kabelů

Ačkoli se izolační materiály kabelů liší podle specializovaných požadavků, fluorovaný ethylenový polymer (FEP) a polyvinylchlorid (PVC) jsou dva materiály běžně používané v pláštích průmyslových kabelů. U kabelů se stupněm CMP se často používá FEP díky svým kouřotěsným a nehořlavým vlastnostem. Použití FEP v pláštích komunikačních kabelů nejen snižuje plamen, ale také omezuje šíření silného kouře z požárů vzduchovými kanály. Kromě silné chemické odolnosti kabely FEP také obvykle tolerují široký rozsah okolních teplot. Například čtyřpárový ethernetový kabel DataTuff 7931A s pláštěm FEP (7931A 0101000) od společnosti Belden s klasifikací CMP je určen pro rozsah provozních teplot -70 až +150 °C.

Kabely se stupněm CMR jsou obvykle izolovány PVC, které nabízí nižší náklady a zároveň vhodnou trvanlivost a odolnost vůči chemikáliím, teplu a vodě. PVC typicky vykazuje omezenější provozní teplotu, v souladu s jeho typickým použitím ve stoupačkách. Například čtyřpárový ethernetový kabel DataTuff 7953A s PVC pláštěm společnosti Belden (7953A 0101000 ) je určen pro rozsah provozních teplot -40 až 75 °C.

Kromě FEP a PVC se k podpoře specifických požadavků často používají další materiály samostatně nebo společně. Například u dvoupárového ethernetového kabelu DataTuff 7962A (7962A 1SW1000) kombinuje společnost Belden vnější plášť z termoplastického elastomeru (TPE), vnitřní plášť z polyethylenu (PE) a izolaci vodičů z polyolefinu (PO), čímž vzniká odolný kabel odolný proti plameni a olejům, který je vhodný do nebezpečného prostředí.

Výběr materiálu pláště je pouze jedním z několika klíčových bodů rozhodování při výběru kabelu pro průmyslové sítě Ethernet. Jak již bylo zmíněno dříve, průmyslové komunikační kabely mohou podléhat značnému mechanickému namáhání, které má za následek zvýšený šum signálu u konvenčních kroucených párů kabelů. Tento známý typ kabelu se opírá o snížení přeslechů a náchylnosti k rušení, které se projevují při zkroucení dvojice vodičů. V praxi však může namáhání instalace a typický každodenní provoz v průmyslovém prostředí způsobit oddělení spárovaných vodičů (obrázek 1).

Obrázek 1: Konvenční kroucená dvojlinka snižuje přeslechy a šum, zatímco spárované vodiče zůstávají blízko u sebe (nahoře), ale po opakovaném ohýbání, napínání a tahání se vodiče obvykle oddělují (dole). (Zdroj obrázku: společnost Belden)

Se zvětšující se vzdáleností mezi jednotlivými vodiči – neboli centricitou – v důsledku neustálého ohýbání, napínání nebo tahání se výrazně zhoršuje účinek krouceného páru na potlačení šumu. Postupem času dochází k narušení integrity signálu, což ovlivňuje spolehlivost přenosů v síti. Alternativa společnosti Belden ke konvenčnímu komunikačnímu kabelu s kroucenou dvojlinkou je navržena tak, aby zachovala integritu signálu navzdory náročnosti instalace a trvalého používání.

Technologie vázané dvojlinky nabízí odolnost vůči namáhání

Patentovaná technologie vázané dvojlinky od společnosti Belden vytváří skutečnou vazbu mezi vodiči v každém páru, aby byla zachována optimální centricita pro všechny kroucené páry v komunikačním kabelu, čímž se zabrání mezerám, které by mohly narušit integritu signálu (obrázek 2).

Obrázek 2: Na rozdíl od konvenční kroucené dvoulinky (vlevo) technologie vázané dvojlinky od společnosti Belden (vpravo) zajišťuje, že vzdálenost mezi spárovanými vodiči v kabelu zůstává pevná i přes ohýbání, napínání nebo tahání. (Zdroj obrázku: společnost Belden)

Výsledkem technologie vázané dvojlinky od společnosti Belden jsou kabely s odolností proti tahu, která je obvykle o 40 % silnější než u běžného ethernetového kabelu. Kabel vázané dvojlinky společnosti Belden lze zároveň bezpečně ohýbat nebo napínat podél poloměru ohybu, který je až čtyřnásobkem vnějšího průměru kabelu. Naproti tomu u běžného ethernetového kabelu je poloměr ohybu obvykle omezen na desetinásobek vnějšího průměru.

Dodatečná pevnost, kterou technologie vázané dvojlinky poskytuje, se projevuje ve schopnosti zachovat spolehlivost i přes trvalé namáhání způsobené ohýbáním během instalace nebo běžného provozu. Přestože v tomto odvětví chybí standard pro měření schopnosti odolávat ohybu, společnost Belden vytvořila test ohybu navržený tak, aby simuloval běžné průmyslové provozní podmínky.

Inženýři ze společnosti Belden nejprve podrobili kabel vázané dvojlinky o délce 15 stop těsnému ohybu 3 palce a potom ho podrobili víceosému pohybu rychlostí 10 stop za sekundu po dobu 28 800 cyklů za den. Technický tým společnosti Belden neustále monitoroval testovaný kabel na zkraty, poklesy napětí a další problémy v osmi bodech podél jeho délky. Test zastavili po 10 075 000 cyklech ohybů, aniž by odhalili jakékoli fyzické nebo elektrické poruchy.

Robustní výkon kabelu s vázanou dvojlinkou je zřejmý při porovnání jeho elektrického výkonu s běžným kabelem. Testy, při nichž byla jako měřítko použita rezerva spojení, ukázaly, že kabel vázané dvojlinky od společnosti Belden si zachovává výkon před instalací i po ní (obrázek 3 vlevo). Naproti tomu konvenční kroucené dvoulinky, které projdou výkonnostními testy na cívce, mohou po instalaci selhat kvůli oddělení párů poté, co byl kabel vystaven normálnímu namáhání v tahu, ohybu a napínání při instalaci (obrázek 3 vpravo).

Obrázek 3: U kabelu Belden s vázanou dvojlinkou zůstává rezerva spojení vysoká v jednotlivých párech dat (modrá/žlutá/zelená/červená) před a po instalaci (vlevo), zatímco konvenční kroucené dvoulinky, které se následně dobře otestují na cívce vykazují dramatické snížení po instalaci v důsledku oddělení párů způsobeného napětím při instalaci. (Zdroj obrázku: společnost Belden)

Ve srovnání s kabelem s vázanou dvojlinkou může běžný kabel s kroucenou dvojlinkou také vykazovat nepravidelné kolísání impedance v závislosti na frekvenci v důsledku mezer vytvořených mezi páry vodičů během instalace a manipulace (obrázek 4).

Obrázek 4: Impedance kabelu s vázanou dvojlinkou Belden (vlevo) zůstává stabilní před a po instalaci ve srovnání se změnami impedance konvenčního průmyslového kabelu (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Belden)

V normálním provozu si nestíněný kabel s vázanou dvojlinkou může zachovat ochranu proti šumu, často za nižší cenu než konvenční stíněný kabel. Návrhářům průmyslových sítí pomáhá ochrana proti šumu kabelu s vázanou dvojlinkou zmírnit omezení při vedení ve srovnání s konvenčním stíněným průmyslovým kabelem. Například směrnice ODVA (dříve Open DeviceNet Vendors Association) doporučují vést konvenční stíněný kabel ne více než 5 stop od elektromagnetických zdrojů, aby se zabránilo rušení. Naproti tomu nestíněný kabel s vázanou dvojlinkou s ochranou proti šumu umožňuje návrhářům sítě vést tento kabel do vzdálenosti 6 palců nebo méně od zdroje, aniž by byla ohrožena integrita signálu.

Závěr

Drsné elektrické a fyzikální průmyslové prostředí komplikuje výběr kabelů, které jsou schopny zachovat požadovanou integritu signálu při zvyšování rychlosti přenosu dat IIoT. Jak je vidět, patentovaná technologie vázané dvojlinky společnosti Belden poskytuje efektivní řešení, které dokáže udržet výkon připojení efektivněji než běžné průmyslové ethernetové kabely.